同軸電纜芯線電容測量方法研究

摘要：同軸電纜或高速數(shù)字通訊電纜芯線電容，是影響電纜性能的重要參數(shù)。在完成電纜編織工藝前，準(zhǔn)確測量芯線的電容，及時(shí)控制電纜單位長度的電容，使電纜具有均勻傳輸阻抗，是保證電纜質(zhì)量的重要措施。文章從芯線測量原理、電容測量裝置設(shè)計(jì)、測量儀器選擇、測量步驟、影響測量的誤差來源分析等方面對測量方法進(jìn)行闡述。
關(guān)鍵詞：同軸電纜；絕緣芯線；電容；測量裝置

0 前言
    同軸電纜和高速數(shù)字通訊電纜的芯線電容，是影響電纜傳輸性能的重要參數(shù)，將同軸電纜單位長度電容控制在允許范圍之內(nèi)，可以保證電纜傳輸阻抗的均勻。測量成品同軸電纜電容，只需用電容測試儀的兩個(gè)測試夾，分別連接到電纜的內(nèi)外兩個(gè)導(dǎo)體即可。而對于沒有加上外導(dǎo)體的電纜絕緣芯線，只有一個(gè)內(nèi)導(dǎo)體電極，無法用電容測試儀直接測量。為此，我們對如何測量同軸電纜芯線電容的方法進(jìn)行了研究。

1 同軸電纜電容
1．1 電容計(jì)算公式
   
    式中：C為電纜單位長度電容(pF／m)；ε為絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)；D為電纜的外導(dǎo)體內(nèi)徑即絕緣層外徑(mm)；d為電纜的內(nèi)導(dǎo)體外徑(mm)。
    由上式可知，電容的大小和內(nèi)導(dǎo)體外徑、絕緣材料(不同材料ε不同)、外導(dǎo)體內(nèi)徑(絕緣層外徑)、發(fā)泡度(影響ε)相關(guān)。只要D、d、ε控制在一定范圍內(nèi)，當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體直徑d和絕緣層外徑D確定后，介電常數(shù)ε就決定了電纜的電容。
1．2 發(fā)泡度對電容的影響
    發(fā)泡度就是發(fā)泡體中含多少百分比的氣體，可按下式計(jì)算：
   
    式中：P為發(fā)泡度(％)；do-為基材原有的密度；d為發(fā)泡體的密度。
    對于發(fā)泡電纜，ε與發(fā)泡度有直接聯(lián)系，PE材料發(fā)泡度與電容的關(guān)系參見表1。

    由表1可以看出，發(fā)泡度大時(shí)ε?。话l(fā)泡度小時(shí)ε大。在內(nèi)導(dǎo)體外徑及絕緣外徑確定的情況下，只要控制發(fā)泡度的大小，就能控制電容值。反過來，測量電容有助于電纜芯線在擠出過程中及時(shí)調(diào)整發(fā)泡度。

2 電容的測量
    1．1小節(jié)中的電容計(jì)算公式可用于設(shè)計(jì)同軸電纜，在實(shí)際生產(chǎn)中內(nèi)導(dǎo)體直徑、絕緣外徑的變化，會引起電容值的變化。只有通過測量，才能知道實(shí)際電容值。電容通常有兩個(gè)電極，電極之間夾以絕緣層，而同軸電纜芯線只有一個(gè)內(nèi)導(dǎo)體電極，外面是絕緣層，要測量芯線的電容，須在絕緣層外面再設(shè)置一個(gè)電極，這樣就組成了一個(gè)圓柱體電容。
2．1 測量途徑分析
2．1．1 金屬箔作為外電極
    在絕緣層外面繞包一層銅箔或鋁箔等金屬箔，測量內(nèi)導(dǎo)體和金屬箔之間的電容。由于金屬箔繞包的松緊、疊縫空隙等因素，會對測量結(jié)果造成較大影響。
2．1．2 水銀作為電極
    在一個(gè)管狀容器中放入導(dǎo)電的水銀，將電纜芯線浸入水銀中，測量內(nèi)導(dǎo)體和水銀電極之間的電容值。由于水銀密度較大，芯線浸入其中，對絕緣層有一定的壓力，容易使塑料等軟性材料變形，改變原有的幾何尺寸，而且該方法在測量中會產(chǎn)生水銀蒸發(fā)，污染環(huán)境，不利于身體健康。
2．1．3 用普通清水作為電極
    將清水注入管狀容器，電纜芯線浸入水中，測量內(nèi)導(dǎo)體和水電極之間的電容值。該方法成本低，安全無污染。
2．2 芯線電容測量裝置
2．2．1 測量裝置結(jié)構(gòu)
    按2．1．2及2．1．3小節(jié)提出的測量方法，均需要制作一個(gè)專門的電容測量裝置。根據(jù)待測電纜直徑、長度，考慮測量誤差等因素，設(shè)計(jì)制作了一個(gè)測量裝置(結(jié)構(gòu)示意見圖1)。

2．2．2 測量裝置韻設(shè)計(jì)要求
    底盤有足夠的面積和質(zhì)量，以保持裝置的穩(wěn)定，立柱長時(shí)相應(yīng)增加底盤面積；立柱長度根據(jù)樣品長度設(shè)計(jì)；絲桿長度主要考慮樣品浸入水中對準(zhǔn)刻線時(shí)的調(diào)節(jié)范圍，至少有30mm的可調(diào)范圍；樣品固定板隨升降螺母轉(zhuǎn)動而上下移動，靜止時(shí)，其上下活動問隙盡可能?。粸榱藴p小環(huán)境中電磁場的干擾，要采取屏蔽措施。
2．2．3 測量原理
    將被測樣品下端用絕緣物質(zhì)封住端口，放入盛有自來水的容器，利用樣品固定板將樣品固定。由于水是導(dǎo)電液體，流動性好，能夠均勻地包裹在絕緣層外面，在水中插入一根導(dǎo)線(裸銅線)，相當(dāng)于在絕緣層外增加一個(gè)電極。將電容測試儀的測量夾，分別連接到內(nèi)外兩個(gè)導(dǎo)體，即可測量外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體之間的電容值。
2．2．4 電容測試儀的選擇
    根據(jù)被測樣品對電容測量結(jié)果示值誤差的要求，選擇電容測試儀的準(zhǔn)確度等級。滿足電容測試儀誤差小于等于1／3樣品測量結(jié)果的允許誤差，例如，芯線電容測量結(jié)果允許誤差±0．6pF，則電容測試儀的示值誤差要小于等于±0．2pF。也可以選用LCR數(shù)字電橋測量電容。
2．2．5 長度測量儀器選擇
    根據(jù)樣品長度測量需要，選擇1m或2m，分辨率1mm的鋼直尺。為了測量方便，把鋼直尺固定在一端裝有擋板的木板上，擋板的垂直端面正好對準(zhǔn)鋼直尺起點(diǎn)端。測量時(shí)只要把電纜一端頂住擋板就可量取規(guī)定的長度，并標(biāo)注刻線。
2．2．6 溫度測量儀器的選擇
    可選擇玻璃溫度計(jì)或數(shù)字式溫度表，測量范圍0～50℃，分辨率0．5℃。溫度計(jì)插入容器中不影響樣品插入的位置。
2．3 芯線電容測量步驟
2．3．1 樣品長度的選擇
    為了減小測量誤差，樣品要有足夠長度，使長度測量誤差所引起的電容測量結(jié)果誤差可以忽略。經(jīng)過誤差分析，樣品長度可選500至1500mm，太長不便于操作。測量前，先在樣品上量取一定長度(例如從底端開始量取500mm)用記號筆畫上刻線。
2．3．2 樣品底端的絕緣處理
    因樣品底端浸入水中，需要做絕緣處理。為了減小邊緣效應(yīng)的影響，絕緣封頭的厚度大于兩倍的樣品絕緣層厚度，絕緣材料可選擇：a．凡士林：封頭容易，有足夠的絕緣電阻，用500V兆歐表測量絕緣電阻大于500MΩ?？梢约醋黾从茫菀鬃冃螕p壞絕緣封頭，只適用于即時(shí)測量。b．玻璃膠：封頭容易，有足夠的絕緣電阻，用500V兆歐表測量絕緣電阻大于500MΩ。膠體固化前也可以用于測量，但容易變形損壞絕緣封頭。膠體固化后不易變形，適宜制作校準(zhǔn)棒的封頭，可多次使用。
2．3．3 樣品位置調(diào)整
    將樣品小心放入容器內(nèi)，并固定在固定板中。容器內(nèi)注入清水，注入量以樣品插入后水面不超過規(guī)定的位置為宜。調(diào)節(jié)升降螺母，使被測電纜的垂直位置緩慢下降，直到水面對準(zhǔn)樣品上預(yù)先標(biāo)注的長度刻線。
2．3．4 電容測試儀連接
    將電容測試儀的兩個(gè)測試夾分別連接到樣品的內(nèi)外兩個(gè)導(dǎo)體，即可測量電容(內(nèi)導(dǎo)體與水電極之間的電容值)。
2．3. 5 電容測試儀的使用要求
    (1)電容測試儀機(jī)殼要連同屏蔽設(shè)施接地；
    (2)由于測量電容的值較小，使用前必須對電容測試儀做零點(diǎn)校準(zhǔn)，以減小零位誤差的影響。校準(zhǔn)零位前，要使兩個(gè)測量夾之間的距離與實(shí)際測量時(shí)的距離基本相同；
    (3) 設(shè)置儀器參數(shù)：工作頻率：10kHz；速度：慢速；測試信號電平：0．3V或1V(在顯示值穩(wěn)定的情況下，選低電平測試)。
2．3．6 單位長度電容的計(jì)算
   
    式中：C為樣品的單位長度電容(pF／m)：C1為電容測試儀測量的樣品實(shí)際長度電容值(pF)；L為樣品浸入水中的長度(m)
    設(shè)樣品浸入水中的長度為500mm，電容測試儀顯示值為25．02pF，就可以測得單位長度電容為：
   
2．3．7 測量數(shù)據(jù)記錄
    測量電容數(shù)據(jù)要形成記錄，以便于連續(xù)監(jiān)控電容值的變化。記錄內(nèi)容應(yīng)包括但不限于以下內(nèi)容：
    (1)被測電纜的相關(guān)信息，如型號規(guī)格、工藝控制要求等；
    (2)測量時(shí)間、樣品長度、測量數(shù)據(jù)、測量人員；
    (3)測量儀器的相關(guān)信息，如型號、準(zhǔn)確度等級、制造廠、編號，檢定／校準(zhǔn)日期等；
    (4)測量時(shí)的環(huán)境條件，如溫度、濕度，以及測量容器中的水溫；
2．3．8 數(shù)據(jù)圖表
    利用同軸電纜芯線電容測量裝置，測量型號為50-5芯線，各時(shí)段樣品的測量結(jié)果及變化曲線見表2。只要在數(shù)據(jù)表(電子版)中輸入數(shù)據(jù)，就會自動繪制曲線。該圖表可以監(jiān)視芯線電容的變化情況。

2．3．9 溫度對電容的影響。
    不同絕緣材料的電纜芯線，其電容隨溫度變化而改變。例如如表3所示。

    測量電容時(shí)要考慮溫度帶來的誤差。實(shí)際情況下同軸電纜芯線的發(fā)泡度不同，溫度影響程度也不同。為了減小溫度對測量結(jié)果的影響，要測量容器中的水溫，根據(jù)實(shí)測溫度，將測量結(jié)果修正到20℃時(shí)的電容值。
2．4 電容測量結(jié)果的誤差來源分析
    (1)用于測量芯線電容值的電容測試儀(LCR數(shù)字電橋TH2819A)的基本允許誤差：±0．05％；
    (2)量取芯線長度時(shí)的測量誤差。以75Ω電纜為例，一般為50pF／m，長度測量誤差約為±0．5mm，電容誤差為±0．025pF，相對誤差為±0．05％；
    (3)芯線浸入水中時(shí)刻線與水面相切，調(diào)節(jié)位置時(shí)視覺誤差帶來的測量誤差，約為±0．5 mm，電容誤差為±0．025 pF，相對誤差為±0．05％；
    (4)外部電磁干擾對顯示值波動、讀數(shù)估計(jì)帶來的測量誤差。由實(shí)際測量時(shí)估計(jì)，約±0．005pF，相對誤差為±0．01％：
    (5)測量過程中的溫度變化引起的誤差，若溫度變化±3℃，約±0．05 pF，相對誤差為±0．1％；
    (6)由測量重復(fù)性引起的測量誤差，從實(shí)際測量情況看約±0．005 pF，相對誤差為±0．01％。

3 水電容測試儀
    隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用水作為測量電極的動態(tài)測量儀器一水電容測試儀已開始在高端產(chǎn)品中應(yīng)用。該儀器能在線動態(tài)測量電纜(未加屏蔽層的芯線)的單位長度電容量，并可預(yù)置電容控制值輸出反饋信號，通過控制擠出速度或牽引速度自動控制電纜的單位長度電容量。
3．1 測量原理
    水電容測試儀由測量管、測量信號發(fā)生器、顯示器等組成(見圖2)。測量信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波交流電壓同時(shí)加到浸沒于水中的測量管中的測量電極和保護(hù)電極，測量電極上的電流通過被測電纜的電容流回電源地線，在信號源電壓和頻率固定時(shí)，流過電容的電流與電容量大小成正比。

    即：
    I=uωC     (5)
    式中：u為電容兩端的電壓；ω為電流的角頻率；C為電容量。
    根據(jù)公式可以看出，只要測得電流的大小即可測量出電容的大小。通過測量信號發(fā)生器的轉(zhuǎn)換將測量信號送顯示器顯示。
3．2 水電容測試儀的校準(zhǔn)
3．2．1 校準(zhǔn)原理
    根據(jù)水電容測試儀的測量原理，選擇一根已知電容值的校準(zhǔn)棒，放入測量管中模擬電纜，測量校準(zhǔn)棒的電容值，以此確定儀器的測量誤差。
3．2．2 校準(zhǔn)棒的選擇
    (1)玻璃校準(zhǔn)棒?？梢韵蛑圃鞆S商購得，出廠時(shí)提供參考值，例如：115．6±0．5pF／m。用戶可利用校準(zhǔn)棒對水電容測試儀進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)棒絕緣層為玻璃，穩(wěn)定性好，但價(jià)格較高，容易受沖擊力如碰撞、跌落而損壞，特別是長度較長的校準(zhǔn)棒更要小心使用。我省暫時(shí)無法開展玻璃校準(zhǔn)棒的量值溯源。
    (2)過程產(chǎn)品，如同軸電纜芯線(只有內(nèi)導(dǎo)體和絕緣層的絕緣導(dǎo)線)。測量何種規(guī)格的電纜，可選該規(guī)格電纜。校準(zhǔn)前，需要先在專用測量裝置上測得該電纜的電容值，才能利用該校準(zhǔn)棒對水電容測試儀進(jìn)行校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)棒絕緣層是塑料，如聚乙烯，取材容易，成本低，但容易產(chǎn)生如劃傷、壓傷等機(jī)械損傷，定值后長期穩(wěn)定性差，需要使用前定值，只能短時(shí)間內(nèi)使用。
3．2．3 校準(zhǔn)棒的電容測量(定值)
    利用芯線電容測量裝置，就可以測量校準(zhǔn)棒的電容。無論是玻璃校準(zhǔn)棒，還是電纜芯線校準(zhǔn)棒，只要按2．3小節(jié)芯線電容測量步驟操作，就可以測得電容值，即對校準(zhǔn)棒定值，并利用其對水電容測試儀進(jìn)行校準(zhǔn)。只要在選擇電容測試儀時(shí)，考慮測量誤差符合校準(zhǔn)棒的允許誤差要求即可。

4 結(jié)語
    利用同軸電纜芯線電容測量裝置進(jìn)行測量試驗(yàn)，表明其測量方法是可行的，測量裝置是穩(wěn)定實(shí)用的。對于暫時(shí)無條件配備水電容測試儀的企業(yè)，可以利用該裝置和測量方法，解決離線抽樣測量芯線電容的問題，為控制工藝參數(shù)提供測量數(shù)據(jù)。動態(tài)水電容測試儀用于電纜的生產(chǎn)線自動連續(xù)測量，快速方便，但投入較大。電容測量，使芯線在編織工藝前，就能獲得電容值，可將事后(編織工藝以后)測量變?yōu)槭虑翱刂啤Ｍ瑫r(shí)，為校準(zhǔn)水電容測試儀用的校準(zhǔn)棒提供了測量裝置，使水電容測試儀的量值溯源成為可能。